Kvantna „Zvezdana noć“: Fizičari osmotrili neuhvatljivu nestabilnost i egzotične vrtloge

Van Gogova „Zvezdana noć“ uzbuđuje ljubitelje umetnosti duže od sto godina. Sad se njena vrtložna nebesa možda obraćaju i fizičarima kao eho obrazaca kvantne turbulencije.

Fizičari sa japanskog Univerziteta grada Osaka i iz korejskog Instituta za nauku i tehnologiju su prvi put uspešno osmotrili kvantnu Kelvin-Helmholcovu nestabilnost (KHI) – fenomen koji je predviđen pre više decenija, ali nije viđen u kvantnim fluidima.

Preporučujemo

Ova nestabilnost proizvodi obrasce egzotičnih vrtloga poznate kao ekscentrični frakcionalni skirmioni, čije srpaste strukture liče na Mesec iz Van Gogovog remek-dela.

KHI je klasičan fenomen u dinamici fluida, kad se talasi i vrtlozi formiraju na granici između dva fluida koja se kreću različitim brzinama, kao što pokazuju okeanski talasi koje udara vetar, vrtložni oblaci ili Van Gogova nebesa.

Istraživanje je počelo sa jednostavnim pitanjem: Da li Kelvin-Helmholcova nestabilnost može da se desi u kvantnim fluidima?

Hladeći litijumske gasove blizu apsolutne nule, istraživači su napravili multikomponentni Boze-Ajnštajnov kondenzat – kvantni superfluid – sa dve struje koje teku različitim brzinama. Na njihovom spoju se javlja talasasti obrazac sa oblikom prstiju, kao slika klasične turbulencije, ali se onda stvaraju vrtlozi, kontrolisani čudnim pravilima kvantne mehanike i topologije.

Ispostavilo se da su ti vrtlozi ekscentrični frakcionalni skirmioni (EFS) – novootkrivena vrsta topološkog defekta.

„Skirmioni su obično simetrični i centrirani. Međutim, EFS imaju oblik poulumeseca i sadrže ugrađene singularitete – tačke u kojima se obična struktura spina raspada stvarajući oštre distorzije. Veliki polumesec u gornjem desnom uglu ‘Zvezdane noći’ izgleda tačno kao EFS“, kažu istraživači.

Skirmioni, prvi put otkriveni u magnetnim materijalima, privlače sve veće intresovanje radi upotrebe u spintronici i memorijskim uređajima zbog njihove stabilnosti, male veličine i neobične dinamike.

Otkriće nove vrste skirmiona u superfluidu može imati posledice po primenjene tehnologije i razumevanje kvantnih sistema.

Istraživači nameravaju da u budućnosti redefinišu svoj merenja. Pomoću preciznijih eksperimenata mogli bi testirati 19-vekovna predviđanja o talasnoj dužini i frekvenciji talasa koje na spoju izaziva KHI.

Takođe postoji širi teorijski potencijal. EFS dovode u pitanje tradicionalne topološke klasifikacije. Ugrađeni singulariteti pokreću nova pitanja i treba ispitati da li slične strukture nastaju u drugim multikomponentnim sistemima ili sitemima viših dimenzija.

(Telegraf Nauka/Phys.org)